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Química

Una cerámica más densa

Descargas eléctricas aplicadas en pastillas para sensores generan productos más robustos

MIGUEL BOYAYAN En el interior del Ipen, pastillas cerámicas utilizadas en sensoresMIGUEL BOYAYAN

Dos investigadores brasileños y uno francés desarrollaron un método eficiente y económico destinado a producir sensores de alta calidad mediante la aplicación de descargas eléctricas en el material cerámico utilizado en esos productos. Esta nueva técnica permite la densificación los gránulos cerámicos de las piezas fabricadas en forma de pastillas utilizadas en los sensores que miden los gases de escape de los automóviles y en la producción de acero en las siderúrgicas. También intervienen en la fabricación de sensores de temperatura, tales como los van dentro de los teléfonos celulares para detectar el calentamiento anormal del aparato, y en algunos tipos de células de combustible, en los equipos que producen energía eléctrica a partir del hidrógeno. La industria elabora actualmente esas piezas utilizando maquinarias importadas que cuestas alrededor de 250 mil dólares y someten a un polvo compuesto por una mezcla de óxidos ‒generalmente de zircón y de itrio‒, a presiones mil veces mayores que la atmosférica y temperaturas de casi 1.500 ºC durante algunas horas. El resultado son unas pastillas rígidas, bastante resistentes al desgaste y a la corrosión, y capaces de soportar elevadas temperaturas. En colaboración con el investigador francés Michel Kleitz, los físicos Eliana y Reginaldo Muccillo lograron, todavía de manera experimental, crear otra forma de obtener el mismo tipo de producto. Pero que insume mucho menos dinero y energía.

A finales de 2010, durante una temporada de dos meses en el laboratorio dirigido por el matrimonio Muccillo en el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen), Kleitz percibió la oportunidad de comprobar una idea que comenzara a gestar dos años antes. En lugar de emplear alta presión y temperaturas elevadas para producir piezas cerámicas de grano fino y mayor densidad – y por consiguiente, de mejor calidad, dado que las propiedades de un material cerámico se encuentran determinadas por el grado de compactación de sus gránulos -, el electroquímico francés, investigador jubilado en el Instituto Nacional Politécnico de Grenoble (INPG), imaginó la posibilidad de forzar la aglomeración de los gránulos por otro método. Se acordó de técnicas de soldado y estudios teóricos de otros grupos que sugerían que las descargas eléctricas podrían colaborar para compactar los gránulos cerámicos con dimensiones del orden de los nanómetros (la millonésima parte de un milímetro).

Un montaje decisivo
Pero en el laboratorio del Ipen faltaba un equipamiento: una fuente de energía para controlar el paso de la corriente eléctrica a través de la muestra cerámica. Este tipo de aparato incluso se produce comercialmente. Pero el importado cuesta 18 mil dólares y tardaría en llegar, en tanto que el producido en Brasil no estaría listo en menos de 90 días. Reginaldo resolvió entonces solicitarle ayuda a otro físico, Yamato Miyao, profesor jubilado del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP). Miyao diseñó los circuitos de la fuente y una semana más tarde apareció en el laboratorio del Ipen con el aparato listo. Similar a un gabinete o caja de computadora, el instrumento permitió realizar los ensayos iniciales, pero era necesario perfeccionarlo. Dos semanas más tarde, luego de gastar casi mil reales en piezas en la calle Santa Ifigênia, el paraíso de los componentes electrónicos en el centro de São Paulo, Miyao regresó con el aparato que necesitaban.

Reginaldo, Kleitz y Eliana sometieron 99 muestras de pastillas cerámicas fabricadas por ellos en el laboratorio del Centro de Ciencia y Tecnología de Materiales del Ipen a una serie de ensayos en los que ora mantenían la temperatura constante y variaban la intensidad de la corriente eléctrica, ora modificaban la temperatura conservando la corriente eléctrica inalterable. Y comprobaron que al exponer el material durante unos pocos segundos a la acción de una corriente elevada y a temperaturas entre 970 y 1.150 ºC fue posible producir piezas cerámicas con gránulos tan unificados como los obtenidos mediante el proceso industrial tradicional, la sinterización rápida por plasma (spark plasma sintering).

Apareció, no obstante, una diferencia importante. Con la nueva estrategia, a la que denominaron soldadura rápida de gránulos (flash grain welding), el compactado o sinterización de los gránulos ocurrió a presión normal. El paso de una corriente eléctrica alterna a través de la muestra provoca un aumento de la temperatura en el espacio existente entre los gránulos y activa una excitación microscópica, provocando que los gránulos se aglutinen. Esta técnica no requiere de equipamientos onerosos, afirman los investigadores en un artículo en el que describe los resultados, aceptado para su publicación en el Journal of the European Ceramic Society en apenas 22 días. “Demostramos que en el siglo XXI todavía es posible realizar ciencia con bricolaje”, comenta Kleitz.

Los investigadores no saben en cuanto tiempo el nuevo proceso lograría abaratar la fabricación de pastillas cerámicas de alta calidad. La técnica debe aún ser perfeccionada. Empero, al intercambiar los componentes de la cerámica, las cosas no anduvieron tan bien. En algunos casos, la temperatura en el espacio entre los gránulos se elevó tanto – llegó a más de 2000 ºC – que los gránulos se fundieron completamente, transformando la pastilla en vidrio. “Al mejor cazador se le escapa la liebre”, se lamentó Kleitz. “Estamos intentando entender qué pasó. Actualmente realizamos un experimento por día para intentar dominar la técnica con diferentes materiales”, informa Eliana. Ellos también estudian la posibilidad de utilizar la técnica para producir, en escala de prueba, alrededor de 200 pastillas con las mismas propiedades, lo cual demostraría su factibilidad industrial.

Los proyectos
1-Estudio de los fenómenos intergranulares en materiales cerámicos – nº 2005/ 53241-9
2-Michel Kleitz, Conseil National de la Recherche Scientifique – Francia – nº 2010/ 51293-0
Modalidad
1 – Proyecto Temático
2 – Apoyo al Investigador Visitante
Coordinadores
1 – Reginaldo Muccillo – Ipen
2 – Eliana dos Santos Muccillo – Ipen
Inversión
1 – R$ 802.674,39 (FAPESP)
2 – R$ 19.714,58 (FAPESP)

Artículo científico
MUCCILLO, R. et al. Flash grain welding in yttria stabilized zirconia. Journal of the European Ceramic Society. c. 31, p. 1.517-21. jul. 2011.

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